王永輝，宋廣磊，劉冰

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

0 引言

動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置在我國(guó)電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，為提供交直流系統(tǒng)的暫態(tài)特性[1]，優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行[2-6]，提高可再生能源的吸納[7-8]做出重要貢獻(xiàn)?，F(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的控制和測(cè)試有較多的研究[9-13]，但是對(duì)不同動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的動(dòng)態(tài)性能比較仍缺乏深入的認(rèn)識(shí)。當(dāng)今可用的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備可分為三大類(lèi)：同步調(diào)相機(jī)（synchronous condenser，SC）、靜止無(wú)功補(bǔ)償器（static var compensator，SVC）和靜止同步補(bǔ)償器（static synchronous compensator，STATCOM）。這3 種類(lèi)型的補(bǔ)償器在電力系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，了解這3 種類(lèi)型補(bǔ)償器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能非常重要。國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)和專(zhuān)著[14-17]不同動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置做過(guò)一些比較，但是不夠系統(tǒng)和完全。本文對(duì)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的功能進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹和討論。

在本文中，以解析方式比較了這3 種類(lèi)型的補(bǔ)償器提高電壓穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)子角穩(wěn)定性的靜態(tài)能力，取得對(duì)這些設(shè)備最大無(wú)功處理的準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)。然后使用簡(jiǎn)單的測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)電磁暫態(tài)仿真來(lái)研究暫態(tài)過(guò)程中補(bǔ)償器的動(dòng)態(tài)性能。簡(jiǎn)單系統(tǒng)中的分析和仿真可以揭示這些無(wú)功補(bǔ)償器的本質(zhì)特性，為進(jìn)一步研究這些補(bǔ)償器在電力系統(tǒng)中的影響打下基礎(chǔ)。

1 無(wú)功補(bǔ)償裝置的建模

本文研究了各種無(wú)功補(bǔ)償器的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。使用分析推導(dǎo)和簡(jiǎn)單的Matlab 工具來(lái)研究補(bǔ)償器的穩(wěn)態(tài)行為，并使用電磁暫態(tài)（EMT）數(shù)字仿真工具來(lái)研究補(bǔ)償器在暫態(tài)期間的行為。本節(jié)介紹如何在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)中對(duì)無(wú)功補(bǔ)償器建模。討論了3 種常用的動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償器：同步調(diào)相機(jī)（SC）、靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）和靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）。

1.1 同步調(diào)相機(jī)（SC）的建模

同步調(diào)相機(jī)基本上是僅輸出無(wú)功功率的同步發(fā)電機(jī)，簡(jiǎn)稱(chēng)調(diào)相機(jī)。圖1 為同步調(diào)相機(jī)及其控制的基本電路圖。調(diào)相機(jī)和連接的電網(wǎng)之間交換的無(wú)功功率由內(nèi)電壓確定，該內(nèi)電壓與勵(lì)磁電流成比例。通過(guò)改變勵(lì)磁電壓，可以改變調(diào)相機(jī)的無(wú)功功率輸出，以保持機(jī)端母線電壓。

圖1 同步調(diào)相機(jī)等值電路Fig.1 Equivalent circuit of synchronous condenser

在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下，同步調(diào)相機(jī)建模為可控電壓源，該電壓源可在達(dá)到其無(wú)功功率極限之前使母線電壓保持恒定。通常會(huì)引入斜率控制來(lái)進(jìn)行電壓控制協(xié)調(diào)，從而相對(duì)于無(wú)功電流以略微的斜率控制母線線電壓。達(dá)到無(wú)功功率出力極限后，可以將同步調(diào)相機(jī)建模為電流源。電流限制通常由過(guò)電流保護(hù)繼電器施加。這種模型在穩(wěn)態(tài)下是合理的，因?yàn)槿绻{(diào)相機(jī)以非常大的電流連續(xù)運(yùn)行，則保護(hù)繼電器將過(guò)電流跳閘。在暫態(tài)過(guò)程中，過(guò)電流繼電器具有時(shí)間延遲，不會(huì)在快速跳閘。所以勵(lì)磁電壓上限決定了暫態(tài)期間同步調(diào)相機(jī)的輸出。在某些情況下，同步調(diào)相機(jī)的輸出可能會(huì)大大高于其穩(wěn)態(tài)額定值。

上述控制原理見(jiàn)圖2?？梢允褂眠B接到電力系統(tǒng)的同步調(diào)相機(jī)的等效電路進(jìn)一步解釋?zhuān)?jiàn)圖3。

圖2 同步調(diào)相機(jī)的運(yùn)行V-I特性Fig.2 Operating V-I characteristics of synchronous condenser

圖3 連接到系統(tǒng)的SC的等效電路Fig.3 Equivalent circuit of SC connected to system

從同步調(diào)相機(jī)到系統(tǒng)母線的電流為

式中:Eq為同步調(diào)相機(jī)的勵(lì)磁電壓；V為同步調(diào)相機(jī)的機(jī)端母線電壓；Vs為系統(tǒng)電壓；Xd為同步調(diào)相機(jī)的等效阻抗；Xs為同步調(diào)相機(jī)和系統(tǒng)之間的阻抗。

結(jié)合式（1）和式（2），得到公式為

同步調(diào)相機(jī)運(yùn)行的基本原理是通過(guò)在Vs改變時(shí)改變Eq來(lái)維持機(jī)端母線電壓V。從式（3）可以看出，當(dāng)系統(tǒng)電壓Vs降低時(shí)，Eq將上升；反之當(dāng)系統(tǒng)電壓Vs升高時(shí)，Eq將下降。

假設(shè)同步調(diào)相機(jī)的原始工作點(diǎn)在圖2 中為A。當(dāng)系統(tǒng)電壓降低時(shí)，同步調(diào)相機(jī)將通過(guò)將工作點(diǎn)移向B 來(lái)增加Eq并輸出更多無(wú)功功率。在B 點(diǎn)，電流Ics是額定電容電流，也是同步調(diào)相機(jī)的穩(wěn)態(tài)極限。如果系統(tǒng)電壓繼續(xù)降低，則工作點(diǎn)將移向C，此時(shí)電流將大于Ics。在這種情況下，同步調(diào)相機(jī)只能工作很短的時(shí)間，因?yàn)檫^(guò)電流保護(hù)將最終使他跳閘。如果系統(tǒng)電壓在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)一步下降，SC 仍可以通過(guò)增加Eq直到D 點(diǎn)的Eqmax來(lái)維持機(jī)端母線電壓。我們將此時(shí)的電流表示為電容性瞬態(tài)電流限制Ict。超過(guò)D，勵(lì)磁電壓Eq沒(méi)有更多的上升空間。如果系統(tǒng)電壓仍然降低，則機(jī)端母線電壓V必須降低以平衡點(diǎn)（E）處的公式（3）。同樣，在超出B 的任何工作點(diǎn)（例如C，D 或E），同步調(diào)相機(jī)能否工作取決于過(guò)流保護(hù)的延遲時(shí)間。同步調(diào)相機(jī)吸收無(wú)功功率時(shí)的行為可以用類(lèi)似的方式進(jìn)行分析。在圖2中注意到，同步調(diào)相機(jī)的暫態(tài)電流極限可能大大高于穩(wěn)態(tài)電流極限。

1.2 靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）的建模

靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）是最常用的晶閘管控制動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償器。SVC 通常是一個(gè)組合系統(tǒng)，其中包含一個(gè)晶閘管控制電抗器（TCR），一個(gè)電容器組有時(shí)還包括晶閘管開(kāi)關(guān)電容器（TSC），見(jiàn)圖4（a）。SVC 的無(wú)功功率輸出限制取決于其最大和最小導(dǎo)納。與SC 不同，SVC 本質(zhì)上是一種無(wú)源設(shè)備，可作為可變導(dǎo)納運(yùn)行。通過(guò)控制晶閘管的觸發(fā)角，SVC的導(dǎo)納從感性變?yōu)槿菪裕虼薙VC 可以吸收或產(chǎn)生無(wú)功功率。SVC 的V-I特性見(jiàn)圖4（b）。

圖4 SVC電路和V-I特性Fig.4 SVC circuit and V-I characteristics

當(dāng)SVC 的無(wú)功輸出在其控制范圍內(nèi)時(shí)，SVC 將保持其控制母線的電壓，并且在穩(wěn)定狀態(tài)下充當(dāng)可控電壓源。達(dá)到無(wú)功功率極限后，SVC 將表現(xiàn)為恒定阻抗。其無(wú)功功率輸出將與母線電壓的平方成正比。如果母線電壓大大降低，則無(wú)功功率輸出將大大降低。該特性易于引起無(wú)功不足情況下的電壓惡化，在極端情況下可能導(dǎo)致電壓崩潰，這是SVC 的主要缺點(diǎn)。與SC 不同，SVC 在暫態(tài)周期和穩(wěn)定狀態(tài)下的極限無(wú)功輸出都由阻抗極限決定。因此，在暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下，SVC 的運(yùn)行極限不會(huì)有太大差異。

1.3 靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）的建模

靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）是基于電壓源換流器技術(shù)的現(xiàn)代無(wú)功功率補(bǔ)償器。盡管他和靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）一樣由電力電子電路構(gòu)成，但其行為卻更像同步調(diào)相機(jī)（SC）。他實(shí)際上是一個(gè)完全可控的有源補(bǔ)償器，見(jiàn)圖5（a）。在達(dá)到其極限之前，STATCOM 用作可控電壓源，以維持其控制母線的電壓。STATCOM 的極限是他允許流過(guò)其功率電子電路的電流極限。圖5（b）為STATCOM 的電壓-電流（V-I）特性。當(dāng)超出其可控制范圍時(shí)，其無(wú)功功率輸出與被控制母線電壓成正比，而不是與SVC 一樣與被控制母線電壓的平方成正比。因此即使電壓下降到非常低的值，STATCOM 也可以提供其最大電流，仍具相當(dāng)?shù)哪芰?lái)支持系統(tǒng)電壓，由此提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性。通常在控制系統(tǒng)中施加STATCOM 的電流限制，例如在DQ 解耦控制中限制Iq的值。穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)的電流限制通常以相同的機(jī)制實(shí)現(xiàn)。盡管在某些情況下可以將他們?cè)O(shè)計(jì)為允許一定的短時(shí)過(guò)電流，但穩(wěn)態(tài)極限和暫態(tài)極限之間的差異也不會(huì)很大。

圖5 STATCOM電路和V-I特性Fig.5 STATCOM circuit and V-I characteristics

2 增強(qiáng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的能力比較

無(wú)功功率補(bǔ)償被廣泛用于提高電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)或暫態(tài)的電壓穩(wěn)定性。在穩(wěn)態(tài)電壓穩(wěn)定性分析中，可以通過(guò)無(wú)功功率補(bǔ)償來(lái)提高最大傳輸能力Pmax。無(wú)功功率補(bǔ)償如何增加Pmax的機(jī)制可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的交流系統(tǒng)來(lái)解釋?zhuān)?jiàn)圖6。

圖6 負(fù)載側(cè)的無(wú)功功率補(bǔ)償Fig.6 Reactive power compensation of load side

在負(fù)荷母線上安裝動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償器，如圖6中的Qc，可以顯著改善電力系統(tǒng)的電壓水平和電壓穩(wěn)定性。動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器的功能在兩個(gè)不同的階段有所不同。在達(dá)到其無(wú)功功率極限之前，補(bǔ)償器通過(guò)調(diào)整其無(wú)功功率輸出將負(fù)荷母線電壓控制為恒定值。負(fù)荷和系統(tǒng)之間的無(wú)功功率交換決定了負(fù)荷母線的電壓。達(dá)到無(wú)功功率極限后，負(fù)荷母線電壓將不能繼續(xù)保持。根據(jù)所用補(bǔ)償器的類(lèi)型，理想補(bǔ)償器、SC/STACOM 或者SVC，其無(wú)功功率輸出將分別受Qcmax、Icmax或Bcmin的限制。應(yīng)當(dāng)注意，在穩(wěn)態(tài)下達(dá)到無(wú)功功率極限之前，所有類(lèi)型的補(bǔ)償器將在相同的電壓水平下產(chǎn)生的無(wú)功功率是一樣的。達(dá)到無(wú)功功率極限后，即使電壓水平相同，不同的補(bǔ)償器類(lèi)型也會(huì)產(chǎn)生不同數(shù)量的無(wú)功功率。

傳輸線受端的P和Q公式為

式中：E和V分別為發(fā)電機(jī)母線和負(fù)荷母線的電壓；X和δ為發(fā)電機(jī)母線和負(fù)荷母線之間的阻抗和相角差。

功率P與電壓V之間的關(guān)系是電壓穩(wěn)定性分析中廣泛使用的眾所周知的P-V曲線。電力系統(tǒng)的最大傳輸功率可以用P-V曲線來(lái)表征。如果我們假設(shè)負(fù)載具有恒定的功率因數(shù)角，P-V曲線的極限點(diǎn)的電壓和最大功率Pmax是E、X和Qcmax的函數(shù)。E和X是電網(wǎng)的運(yùn)行和配置參數(shù)，不易更改。Qcmax是無(wú)功補(bǔ)償器的極限容量。在圖6 的簡(jiǎn)單電源系統(tǒng)中計(jì)算Qcmax對(duì)P-V曲線的影響，見(jiàn)圖7?？梢钥闯觯S著Qcmax的增加，P-V曲線的極限值會(huì)增大，這意味著借助無(wú)功功率補(bǔ)償可以傳輸更多的功率。

圖7 無(wú)功補(bǔ)償增加時(shí)的P-V曲線Fig.7 P-V curve with increase of reactive power compensation

Pmax和Qcmax之間的關(guān)系可以進(jìn)一步推導(dǎo)如下。理想補(bǔ)償器和SVC 情況下Pmax和Qcmax的關(guān)系為

對(duì)SC 和STATCOM 來(lái)說(shuō)也存在相似的關(guān)系，即Pmax是Icmax的某個(gè)函數(shù)，但是沒(méi)有簡(jiǎn)單的解析解?？梢酝ㄟ^(guò)數(shù)值解來(lái)獲得這個(gè)關(guān)系，結(jié)果介于式（6）和式（7）之間。Pmax與各種無(wú)功補(bǔ)償器的容量之間的關(guān)系見(jiàn)圖8。圖8 中的曲線表明，通過(guò)無(wú)功功率補(bǔ)償可以增加最大功率傳輸。

圖8 Pmax和無(wú)功補(bǔ)償器容量之間的關(guān)系Fig.8 Relationship between Pmax and compensator capacity

3 增強(qiáng)功角穩(wěn)定性的能力比較

無(wú)功補(bǔ)償器通常安裝在遠(yuǎn)距離輸電線的中點(diǎn)，以提高功率輸電能力。輸電能力就是兩個(gè)交流系統(tǒng)之間可能達(dá)到的最大功率傳遞，受轉(zhuǎn)子角靜態(tài)穩(wěn)定性的限制。與上一節(jié)中討論的從系統(tǒng)到負(fù)荷的傳輸能力不同，上一節(jié)中主要受靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的限制。圖9 為簡(jiǎn)單兩機(jī)系統(tǒng)，無(wú)功功率補(bǔ)償器安裝在輸電線的中點(diǎn)。假設(shè)發(fā)送端電壓相量為V/（δ/2），接收端電壓相量為V/（-δ/2）。

圖9 具有中點(diǎn)補(bǔ)償?shù)膬蓹C(jī)系統(tǒng)Fig.9 Two-machine system with midpoint compensation

沒(méi)有補(bǔ)償時(shí)，功率傳遞為

無(wú)補(bǔ)償?shù)淖畲蠊β蕚鬏敒?/p>

當(dāng)安裝動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器時(shí)，可以將中點(diǎn)電壓控制為恒定，然后傳輸線上的功率流變?yōu)?/p>

上面討論的傳輸限制處于靜態(tài)的背景下。在達(dá)到無(wú)功功率極限之前，中點(diǎn)電壓被控制為恒定值，對(duì)應(yīng)所有無(wú)功功率補(bǔ)償器的最大功率傳輸都相同，如公式（10）所示。當(dāng)無(wú)功功率要求超過(guò)補(bǔ)償器的極限時(shí)，中點(diǎn)電壓將不再保持恒定。不同的補(bǔ)償器根據(jù)降低的電壓開(kāi)始輸出不同數(shù)量的無(wú)功功率。因此，當(dāng)使用不同的補(bǔ)償器時(shí)，最大功率傳輸將有所不同。帶無(wú)功補(bǔ)償時(shí)的功角關(guān)系可推導(dǎo)為[17]

圖10（a）和圖10（b）示意了圖9 所示的輸電系統(tǒng)在中點(diǎn)具有不同補(bǔ)償器的功率角曲線?？梢钥闯?，無(wú)功補(bǔ)償增加了最大功率傳輸，并且補(bǔ)償器越大，可以傳輸越多的功率。

圖10 具有中點(diǎn)補(bǔ)償?shù)妮旊娤到y(tǒng)功角曲線Fig.10 Power angle curve of transmission system withmidpoint compensation

圖11 展示了不同無(wú)功補(bǔ)償方案時(shí)輸電系統(tǒng)功角曲線的比較。

圖11 使用不同補(bǔ)償器的功率角曲線的比較Fig.11 Comparison of power-angle curves by using different compensators

可以看出，對(duì)于相同容量的補(bǔ)償器，在達(dá)到無(wú)功功率極限之前，對(duì)功率傳輸?shù)挠绊懯窍嗤摹＿_(dá)到無(wú)功功率極限后，不同的補(bǔ)償器會(huì)表現(xiàn)出不同的特性。與SVC 相比，STATCOM 和SC 可以帶來(lái)更多的電力傳輸。值得注意的是，即使當(dāng)功率角接近180°時(shí)，只要?jiǎng)討B(tài)無(wú)功補(bǔ)償器有足夠大的容量，理論上仍可以實(shí)現(xiàn)正向功率傳輸。

4 動(dòng)態(tài)性能比較

在本節(jié)中，使用電磁暫態(tài)仿真研究了各種無(wú)功補(bǔ)償器的動(dòng)態(tài)特性。圖12 是一個(gè)簡(jiǎn)單的電力系統(tǒng)，可用于比較SC，SVC 和STATCOM 的性能。

圖12 研究的簡(jiǎn)單電源系統(tǒng)Fig.12 Simple power source system studied

本節(jié)中的研究都是通過(guò)電磁暫態(tài)仿真完成的，不失一般性，無(wú)功補(bǔ)償器的建模選用了典型的控制方式如下：

1）SC 的控制：IEEE AC1 的勵(lì)磁控制模型[18]。

2）SVC 的控制：文獻(xiàn)[19]所述的SVC 控制。

3）STACOM 的控制：DQ 解耦控制[20]。

本節(jié)將比較不同無(wú)功補(bǔ)償器在以下故障/運(yùn)行狀況下的動(dòng)態(tài)性能：

1）三相故障。

2）單相故障。

3）負(fù)荷增加。

4）線路跳閘。

5）永久斷電。

6）短時(shí)間失電。

4.1 三相故障

為了比較3 種補(bǔ)償器的動(dòng)態(tài)性能，在圖形2 中雙回線其中一條傳輸線的中間設(shè)置了一個(gè)三相故障。負(fù)荷母線上的電壓見(jiàn)圖13。可以看出，SVC 和STATCOM 使電壓恢復(fù)正常的速度相當(dāng)快，SC 的控制速度較慢，并且電壓具有振蕩。還可以看出，在故障期間，母線電壓在使用SC 時(shí)最高，在STATCOM 處第二高，在SVC 處最低。

圖13 三相故障Fig.13 Three-phase fault

原因是在三相故障期間電壓非常低，SC 的短期過(guò)電壓能力最大，因此在試圖將電壓控制回正常值時(shí)會(huì)注入大量無(wú)功功率。同時(shí)，儲(chǔ)存在其轉(zhuǎn)子中的能量被釋放，以向電力系統(tǒng)發(fā)送一些有功功率。SC 的這些特性會(huì)在故障期間導(dǎo)致較高的母線電壓。STATCOM 具有一定的過(guò)載能力，當(dāng)電壓非常低時(shí)，他會(huì)注入恒定電流。SVC 不具有電容性過(guò)電流能力，其無(wú)功功率輸出與電壓幅度的平方成正比。因此，其在故障期間的無(wú)功功率出力最低。

4.2 單相故障

單相故障的負(fù)載母線電壓見(jiàn)圖14。在這種情況下，STATCOM 表現(xiàn)出比SVC 和SC 更好的性能。單相故障是一種不平衡故障，不如三相故障嚴(yán)重，因此導(dǎo)致較少的電壓降落。

STATCOM 可以在不達(dá)到無(wú)功功率極限的情況下迅速使電壓恢復(fù)正常。因此，使用STATCOM 時(shí)電壓降非常小。SVC 的響應(yīng)速度也很快，但是在故障期間電壓降最大。SC 的響應(yīng)時(shí)間很慢，并且電壓似乎有振蕩，這很可能是SC 轉(zhuǎn)子的擺動(dòng)引起的。圖14 顯示，STATCOM 具有更好的能力來(lái)控制不對(duì)稱(chēng)故障的電壓。

圖14 單相故障Fig.14 Single-phase fault

4.3 負(fù)荷變化

負(fù)荷突然增加時(shí)的母線電壓見(jiàn)圖15。STATCOM在這種大負(fù)荷投切擾動(dòng)情況下表現(xiàn)出的性能最好。與其他補(bǔ)償器相比，STATCOM 在負(fù)荷投切時(shí)的響應(yīng)時(shí)間要快得多，并且更加準(zhǔn)確。SC 的響應(yīng)要慢得多，并帶來(lái)一些母線電壓振蕩。

圖15 負(fù)荷增加Fig.15 Increase of load

4.4 線路跳閘

仿真計(jì)算表明，當(dāng)其中一條傳輸線跳閘時(shí)，母線電壓會(huì)發(fā)生變化，見(jiàn)圖16。同樣，STATCOM 展示了最快的負(fù)荷母線電壓調(diào)節(jié)能力。

4.5 永久斷電

當(dāng)兩條傳輸線同時(shí)斷開(kāi)而斷電時(shí)母線電壓的下降動(dòng)態(tài)過(guò)程見(jiàn)圖17。進(jìn)行這項(xiàng)比較的原因是確定不同無(wú)功補(bǔ)償器的慣性如何影響整個(gè)電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。結(jié)果表明，使用SC 時(shí)，電壓可以保持更長(zhǎng)的時(shí)間。當(dāng)使用SC 時(shí)，如果兩條線路同時(shí)跳閘，電壓大約需要2.0 s 才下降到0.5p.u.。這表明，如果可以使用快速備自投或重合閘來(lái)恢復(fù)供電，則安裝SC 將會(huì)非常有幫助，因?yàn)镾C 可以幫助電動(dòng)機(jī)的自啟動(dòng)。該結(jié)果還表明使用SC 可以顯著提高暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。

圖17 斷電時(shí)電壓下降Fig.17 Voltage drops at power off

SC 的慣性是一個(gè)很好的性能，特別有利于無(wú)源的受電端斷電后的恢復(fù)。在這種情況下，如果斷電以后重啟動(dòng)，則SC 可能能夠?qū)㈦妷罕３忠欢螘r(shí)間，從而提高負(fù)荷側(cè)的恢復(fù)能力，也就是改善了暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。另外如果受端系統(tǒng)很弱，沒(méi)有足夠的慣性支撐，SC 將是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，他在提供動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，可以改善弱受端系統(tǒng)的慣性特性。

4.6 短期斷電

負(fù)荷母線上的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)可以顯示出工業(yè)負(fù)荷的頻率動(dòng)態(tài)以及系統(tǒng)慣性的影響。在如圖12 所示系統(tǒng)中，當(dāng)其中一條輸電線停止運(yùn)行時(shí)，如果另一條輸電線暫時(shí)中斷了3 個(gè)周期，則負(fù)荷將經(jīng)歷三個(gè)周期的無(wú)電情況。圖18 為短期跳閘期間的電動(dòng)機(jī)暫態(tài)，顯示了使用不同補(bǔ)償器時(shí)電機(jī)的有功功率和轉(zhuǎn)速。結(jié)果表明，使用STATCOM 或SVC 時(shí)，電動(dòng)機(jī)變得不穩(wěn)定，而使用SC 時(shí)，電動(dòng)機(jī)保持穩(wěn)定。結(jié)果表明，在受端系統(tǒng)中沒(méi)有同步發(fā)電機(jī)可用時(shí)，SC 的慣性起著重要作用。當(dāng)負(fù)荷母線與電網(wǎng)斷開(kāi)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的速度將下降。SC 的轉(zhuǎn)子中存儲(chǔ)了一些能量將釋放，有助于保持系統(tǒng)頻率，從而使電動(dòng)機(jī)保持穩(wěn)定運(yùn)行。該結(jié)果進(jìn)一步確認(rèn)4.5 節(jié)所述，如果系統(tǒng)的慣性不足，選用SC 具有優(yōu)勢(shì)。

圖18 短期跳閘期間的電動(dòng)機(jī)暫態(tài)Fig.18 Transient state of motor during short tripping period

4.7 不同補(bǔ)償器提供的短路電流

本節(jié)討論無(wú)功功率補(bǔ)償器是否提供短路電流的問(wèn)題。圖19 為不同補(bǔ)償器的故障電流注入圖，顯示了各種無(wú)功補(bǔ)償器產(chǎn)生的故障電流。只有SC 會(huì)產(chǎn)生大量的短路電流。STATCOM 和SVC 不是真實(shí)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，除了其中的電容器儲(chǔ)存少量能量以外，那些電力電子設(shè)備中是沒(méi)有大量的能量存儲(chǔ)的。故障發(fā)生時(shí)，線路和設(shè)備中的電阻損耗都會(huì)造成功率損耗。SVC 和STATCOM 以在電容器中存儲(chǔ)的能量非常有限，很快就被完全消耗，無(wú)法長(zhǎng)期維持故障電流。而SC 是真正的同步電機(jī)，因此在出現(xiàn)故障和干擾時(shí)，他可以提供大量的短路電流。所以，SC 可以增加短路容量，STATCOM 或SVC 則不會(huì)增加短路容量。但是，SVC 和STATCOM 為交流母線提供電壓支持，而且在大多數(shù)情況下，SVC 和STATCOM 可提供比SC 更快的電壓調(diào)節(jié)，也就是他們確實(shí)增強(qiáng)了系統(tǒng)的強(qiáng)度。這種現(xiàn)象表明，當(dāng)在電力系統(tǒng)中使用現(xiàn)代電力電子補(bǔ)償器時(shí)，傳統(tǒng)的短路容量無(wú)法準(zhǔn)確地量化系統(tǒng)強(qiáng)度。

圖19 不同補(bǔ)償器的故障電流注入Fig.19 Fault current injection of different compensators

5 結(jié)語(yǔ)

本文研究了各種動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償方案的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)能力。本文的結(jié)論可以總結(jié)如下：

1）研究了無(wú)功補(bǔ)償裝置的穩(wěn)態(tài)建模方法，得出了補(bǔ)償器的穩(wěn)態(tài)無(wú)功出力極限。

2）研究了無(wú)功補(bǔ)償在簡(jiǎn)單傳輸系統(tǒng)中增強(qiáng)電壓穩(wěn)定性的能力，得出了無(wú)功補(bǔ)償量與最大功率傳遞能力之間的關(guān)系。

3）討論了無(wú)功補(bǔ)償對(duì)轉(zhuǎn)子角穩(wěn)定性的影響。推導(dǎo)了考慮中點(diǎn)補(bǔ)償?shù)墓β屎徒嵌确匠痰慕馕鼋狻?/p>

4）利用電磁暫態(tài)仿真研究了無(wú)功補(bǔ)償器在暫態(tài)過(guò)程中的性能。結(jié)果表明，STATCOM 在大多數(shù)情況下提供最佳性能，而當(dāng)系統(tǒng)慣性不足時(shí)，SC 則具有優(yōu)勢(shì)。